半導體特征循環(huán)與可重構芯片

　　1 引言

　　1965 年，摩爾用三個集成電路產品集成度隨時間的增長數據，外加1959 年的晶體管（集成度為1）和1965 年預計可推出的實驗室產品（有64 個元件），用半對數坐標，外插預測到十年后集成電路的集成度將達到65,000 個元件。1975 年預測成真，隨后被稱為“摩爾定律”。近40 年來，“摩爾定律”作為半導體發(fā)展的指南針對整個產業(yè)的發(fā)展產生了重大影響。由此我們可以體會到總結規(guī)律、預測發(fā)展的重要意義。半導體產品是半導體技術的載體，也是半導體經濟的體現。因此，總結半導體產品的發(fā)展規(guī)律，就成為另外一個重要的課題。

　　2 牧村浪潮與半導體產品特征循環(huán)

　　2.1 牧村浪潮

　　1987 年， 原日立公司總工程師牧村次夫（Tsugio Makimoto）提出半導體產品沿著“標準”與“定制”交替發(fā)展，每十年波動一次的思想，并于1991 年[2]第一次發(fā)表在Electronics Weekly上，稱之為“牧村浪潮”（Makimoto’s Wave）。當時，他總結與預測的時間尺度為1957-2007 年，共五次波動，如圖1（上圖）所示。2001 年（一說2002年）[3]他根據新的發(fā)展形勢，在原循環(huán)圖上又增加了一個以soc/SiP（System on a chip/system in a package）為特征的定制波動，時段為2007-2017年，如圖1（下圖）所示。近年來可編程芯片的高速發(fā)展，驗證了“牧村浪潮”的正確性，因而得到了Xilinx、Altera等可編程芯片商的響應，反響頗大。德國Kaiserslauterin大學Hartenstein教授甚至把“牧村浪潮” 稱為“牧村定律”，認為在半導體技術逼近其極限的情況下，“牧村定律”完全可以成為超過摩爾定律的一張王牌，半導體技術也只有依靠“牧村定律”才能維持其高增長的創(chuàng)新速度。

　　2.2 半導體產品特征循環(huán)

　　1987 年，我們采用中德電子周報告會一篇有關半導體產品制造與應用的交叉分類方法（分為通用標準、專用標準、通用定制和專用定制四類），從“造”與“用”的對立統(tǒng)一運動出發(fā)，以“應用”為矛盾的主要方面，總結出了半導體產品主要特征將沿著“通用”與“專用”循環(huán)波動，每十年一次，見圖2（上圖）。這一提法于 1990-91 年在童志鵬院士組織編寫《未來軍事電子》[5]一書時，以“硅微電子產品史上的六次波動2”為子節(jié)編入?？紤]到產品成熟應用并形成主流又比技術本身遲后十年，因而六次波動所對應的時間分別為1958-1968 年（半導體分立器件）、1968-1978（電視、音響等專用標準產品ASSP ）、1978-1988 （ 微處理器MPU ）、1988-1998（掩膜編程等專用電路ASIC）、1998-2008（用戶可編程等電路FPGA）和2008-2018(片上集成系統(tǒng)SoW-亦即現在講的SoC)，并與本書的另一子節(jié)“硅微電子發(fā)展史上的七次浪潮”（1948-58，晶體管；1958-68，SSI/MSI；1968-78， LSI；1978-88，VLSI；1988-98，ULSI；1998-2008，GLSI；2008-18，WSI）按產品成熟應用滯后技術十年的關系，在時間上一一對應起來。其中第七次浪潮（2008-18 年）所對應的通用波動（第七波），當時由于尚難確定其應用特征，因此用“ ?”表示。在2000 年[6]我們拉直了這個問號，指出其主流產品為多功能芯片（MFIC），稍后更名為“用戶可重構SoC”（U-SoC），而第六波則明確為嵌入式編程芯片（EBIC），如圖2（下圖）所示。

　　2.3 比較

　　如上所述，我們提出的“產品特征循環(huán)”與牧村先生的“浪潮”在前六個波動大致相同。但是，我們預測時段比牧村長20 年、多兩個波動[5]。其中第六個（專用）波動，牧村先生到2001 [3]（或2002）年時也才在他的“浪潮”修正中，補充了進去。我們當時用SoW（System on a Wafer）表征第六波主流應用產品，SoW就是現在講的SoC；牧村先生則以SoC/SiP為表征。

　　其次，我們當時就同時預見到第七波（通用）的可能。但從目前收集到的資料看，第七波是否存在還有分歧：牧村先生在2003 年[4]再度修正的報告中，仍然僅僅提到第六波（定制），而Hartenstein教授則明確表示不再有新的波動了[7]。我們從他對“牧村浪潮”波形的修正中（見圖3）可以看到，他把第五波（標準）的主流產品可編程改成了可重構，并把第六波（定制）修改為半淺波，以粗粒度可編程芯片為主特征。從此可以猜想到，他或許認為第五波就開始了可重構特征，而第六波不過是第五波的一個過渡而已。Hartenstein教授在可重構計算（Reconfigurable Computer）方面深有 研究，他的看法是否有道理，要在今后的發(fā)展中判斷。我們之所以認為還存在第七波（通用），當時僅從發(fā)展規(guī)律上考慮到與微電子技術發(fā)展中的第七次浪潮（2008-2018，或許是傳統(tǒng)硅微電子技術的最后一個浪潮）相呼應[5]。隨后,我們從技術本身發(fā)展上認識到，可重構計算是一個難度頗大，涉及面甚廣的課題，盡管當前很多人在研究，但是無論在器件結構、系統(tǒng)結構還是在設計方法學方面，均存在不少問題，仍有很長的路要走。我們相信，可重構計算技術的發(fā)展，終將推動主流應用進入U-soc通用波動，僅僅通過對“毛坯芯片” (Raw Chip)的配置編程就可以得到用戶自定義的功能電路，從而引導半導體產業(yè)結構演變，促進不做芯片設計而專事芯片應用創(chuàng)新的Designless 商業(yè)模式的新興起[8]。

　　另外，兩者在在時間軸上也不盡相同。其一，起點我們之所以定于1958、1968……是考慮到雖然晶體管的發(fā)明時間是1947 年12 月，但申請專利則在1948 年，而且遲到1956 年晶體管主要發(fā)明人肖克萊才開始創(chuàng)辦公司（日本公司也大約在此時間里才開始把晶體管用于收音機）。因此，晶體管成熟應用并成為主流約在1958-1968 年間；起點為1958年。同樣，1958 年9 月TI公司Jack S Killby發(fā)明臺式鍺集成電路，1959 年1 月Farchild公司RobertNoyce發(fā)明硅平面集成電路，他們兩人的專利申請分別遲到1964(Killby)年和1961 年(Noyce)才獲得授權。因此，中、小規(guī)模集成電路作為專用標準產品(ASSP)應用于電視、音響并成為主流則大約位于1968-1978 年間；起點為1968 年。其他波動循環(huán)的主流產品與技術出現的時間對應關系，也大致如此。這里需要特別提出的是，1980 年代中出現的可編程器件（如FPGA），只是在1990 年代才逐漸成熟，并在規(guī)模應用與生產中，顯示出價格優(yōu)勢而對ASIC形成壓力。這個事實表明，產品特性循環(huán)所預示的可編程器件成熟應用并成為主流的時間段 (1998-2008)是正確的。據此，我們確有充分理由相信，嵌入式系統(tǒng)級芯片成熟并成為主流的時間段為2008-2018，以及隨后第七波(2018 -2028)存在的合理性與合乎規(guī)律性了。ISuppli也認為牧村浪潮已經走到盡頭，新一輪的“標準”波動繼續(xù)驅動半導體工業(yè)增長[9]。其二，終點我們預測在2028 年，這跟我們早年關于傳統(tǒng)硅的生命曲線研究有關。研究表明，基于近平衡態(tài)物理的硅微電子技術將于2014-2017 年進入其S曲線的拐點，發(fā)展速度明顯放慢，摩爾定律失效。這時，硅微電子的創(chuàng)新則主要依賴于芯片設計方法學的進步[10]。